污水換熱器的基本要求及方案對比
        張承虎、孫德興、劉京
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150090；chenghu.zhang@163.com）

摘要：本文介紹了城市污水源熱泵系統(tǒng)對污水換熱器的基本要求，并對目前工程中遇到的常見污水換熱器作了對比分析，為污水換熱器的選擇提供理論和經(jīng)驗(yàn)參考。
關(guān)鍵詞：污水、熱泵、換熱器、對比

    污水換熱器是污水源熱泵系統(tǒng)的瓶頸。
    污水換熱器的傳熱系數(shù)小或換熱面積不足就會導(dǎo)致熱泵主機(jī)工況惡化，效率低下，出力不足，甚至形同燒電；換熱器的承壓能力不足，容易造成內(nèi)部部件連接處大幅變形、應(yīng)力集中、疲勞破壞，最終漏水混水；換熱器防堵塞能力不好，或阻力過大就會增加系統(tǒng)的泵耗；換熱器淤堵后，如果其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒考慮方便的清理維護(hù)措施，將會造成運(yùn)行維護(hù)的承重負(fù)擔(dān)。
   
    實(shí)際上，污水換熱器的造價約占整個熱泵機(jī)房造價的15%左右，不是主要的投資部分，卻起著至關(guān)重要的作用。因此本文建議投資者不必在污水換熱器方面吝嗇節(jié)約，增加20%的換熱面積，也僅僅增加3%的總投資，但它對將來的運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省就遠(yuǎn)不止這個數(shù)了。
  

    目前在工程應(yīng)用了的換熱器主要有殼管式換熱器、寬流道平板式換熱器、寬流道圓管式換熱器，本文將從污水換熱器的基本要求和換熱器的普適規(guī)律來將之進(jìn)行對比分析。

1、污水換熱器的基本要求
   污水參與的換熱明顯具有如下兩個特點(diǎn)：
  （1）污水換熱是低傳熱系數(shù)換熱。由于污水水質(zhì)特別，容易造成堵塞、容易生成軟垢，粘度大而相同條件下傳熱系數(shù)就比清水要小。（詳見本連載的第5期、第6期）。

  （2）污水換熱屬于小溫差換熱。一般而言冬季污水溫度只有十多度，受冰點(diǎn)的限制，在這十度左右的區(qū)間內(nèi)要分配污水溫降、中介水溫升、傳熱溫差，必然導(dǎo)致污水的溫降只有三四度，傳熱溫差也只有三四度。（詳見本連載的第7期）。

   以上特點(diǎn)決定了污水換熱器須滿足如下基本要求：
  （1）污水中大量的懸浮固體污物的存在，要求污水換熱器必須采用稍大的污水流通截面。即使前端有防阻機(jī)等粗效過濾措施，仍然是無法保證毛發(fā)纖維等污物進(jìn)入換熱器，污物的堵塞是一個不可自逆的累積過程，稍大的流通截面能夠簡單、有效地延緩這一過程。目前防阻機(jī)還無法做到串聯(lián)多級過濾，筆者課題組正在致力于研發(fā)可以簡單串聯(lián)多級過濾的防堵塞技術(shù)和設(shè)備。

  （2）同樣是由于污物和泥沙、油脂、有機(jī)物的存在，要求污水換熱器必須采用平直光滑的流道。這一點(diǎn)對于強(qiáng)化傳熱是不利的。傳統(tǒng)的流場擾動措施針對污水有兩個缺點(diǎn)：一是容易攔截附著污物，造成堵塞且無法清理；二是溝壑凹槽處容易寄生軟垢，不但填平了溝壑凹槽，而且增加熱阻，特別地，這些部位的軟垢也更不易清理干凈。

  （3）小溫差傳熱要求污水換熱器的設(shè)計(jì)必須精打細(xì)算，要求換熱器的結(jié)構(gòu)形式必須保證換熱形式更加接近純逆流狀態(tài)，要求流程之間不能“竄水”、“短路”。多流程設(shè)計(jì)是接近純逆流狀態(tài)的常用手段，純逆流也要求冷熱兩種流體的主流方向必須相逆。一般而言同時也要求中介水的流程數(shù)與污水相同。在設(shè)計(jì)和加工時保證污水或中介水各自的流程之間不能“竄水”、“短路”，否則將嚴(yán)重較小傳熱溫差和有效傳熱面積。（這種失敗在工程中是有先例的）。

  （4）正是由于無法絕對保證換熱器不堵塞，而且還必須清除軟垢（例如不運(yùn)行期間必須清洗干凈空干放置），這就要求換熱器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時考慮方便開啟、安裝和清理的各項(xiàng)措施，安全和效率是第一位的。污水換熱器的個頭一般都很大，端蓋都很笨重，拆卸或安裝的安全性必須足夠重視（端蓋傷人的事故在實(shí)際工程時有發(fā)生），將端蓋分解或者大小相套是一種解決措施。

  （5）一般而言，污水換熱器的工作壓力水平都不高，但是并不能由此就過于降低污水換熱器的承壓能力（特別是采用水路切換的高程建筑系統(tǒng)）。承壓能力差就會容易導(dǎo)致變形，頻繁的變形和應(yīng)力集中必然導(dǎo)致焊脹接部位開裂，造成漏水、污水與中介水混合等嚴(yán)重問題。

  （6）污水對金屬具有腐蝕性，因此污水換熱器應(yīng)該有一定的抗腐蝕或防腐蝕能力，或者在經(jīng)濟(jì)合理的前提下有合理的使用壽命。這要求污水換熱器要有一定的壁厚，或者采用特殊的金屬材質(zhì)，或者特殊的表面處理方法。此外，焊接處金屬材料發(fā)生化學(xué)變質(zhì)，是最容易被腐蝕的地方，這就要求污水換熱器的焊接部位不宜過多，焊縫不能過長，焊接操作難度不能太大，否則難以保證焊接質(zhì)量。

   綜上所述，污水換熱器無法避免的存在如下特點(diǎn)：
  （1）污水流道截面稍大，流道平直；
  （2）金屬壁較厚；
  （3）單位體積的換熱面積系數(shù)較??；
  （4）污水源熱泵工程所需的換熱面積都比較大，體積和占地也較大。
   不滿足上述六點(diǎn)要求的換熱器不是一個好的污水換熱器。

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